Biofotônica

Óptica Aplicada a Agricultura e Meio Ambiente O agronegócio é uma atividade extremamente importante para a economia brasileira. O Produto Interno Bruto (PIB) do agronegócio em 2014 representou 23,0% do PIB total da economia brasileira. Isso significa que R$ 1,1 trilhão das riquezas produzidas no País vieram da agricultura e da pecuária. Apesar deste bom desempenho, é um consenso no setor que muito ainda pode ser melhorado através do aporte de tecnologias que ajudem o aumento de produtividade e redução de impactos ambientais. A agricultura de precisão vem se fortalecendo nos últimos anos, não apenas por aspectos econômicos, mas também por aspectos ambientais. Essa área da ciência preconiza que a gestão da produção agrícola considere a heterogeneidade das condições do campo e, consequentemente, da variabilidade espacial e temporal do sistema produtivo. Dessa forma, a aplicação racional de insumos, além de gerar economia para o produtor, é ambientalmente mais sustentável. Entretanto, para que seja possível mapear condições de solo, produtividade e infestação de doenças, além de sistemas georreferenciados, o desenvolvimento de instrumentação específica para cada um desses fatores torna-se imprescindível. Além disso, o monitoramento ambiental também tem demandado novas ferramentas que permitam o acompanhamento em tempo real para que se possam fazer intervenções rápidas visando à mitigação de impactos ambientais. No Laboratório de Óptica e Fotônica da Embrapa Instrumentação, filiado ao CEPOF, estuda-se as propriedades ópticas de materiais de interesse do agronegócio para disponibilizar novas ferramentas tecnológicas ao sistema produtivo. O foco dessa linha de pesquisa são principalmente o desenvolvimento de métodos, protocolos e equipamentos para uso em campo passíveis de serem embarcados e viabilizar o mapeamento de grandes setores agrícolas. Atualmente, o laboratório aplica o uso dessas técnicas para a análise de solos, fertilizantes, água e para o diagnóstico precoce de doenças em plantas, especialmente em citros e soja Equipe da Embrapa envolvida nas pesquisas relacionadas à Óptica Aplicada a Agricultura e Meio Ambiente. Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Síntese Orgânica Praticamente todos os fotossensibilizadores em uso para tratamentos por terapia fotodinâmica (TFD) apresentam algumas limitações considerando as propriedades idealmente desejadas. Desta forma, investir no planejamento e na síntese de moléculas estrategicamente desenhadas consiste numa atividade de grande importância para a obtenção de fotossensibilizadores mais específicos e eficientes. Planejamentos sintéticos seguramente auxiliam na obtenção de moléculas que reúnem um número maior de atividades ideais como: a baixa agregação, a afinidade por moléculas biológicas ou tecidos específicos, solubilidade, habilidade para produzir oxigênio singlete/radicais, baixa fotodegradação, dentre outras potencialidades. Nesta área de atuação no CEPOF, estamos trabalhando basicamente em duas direções: A primeira delas versa sobre a síntese de novos fotossensibilizadores porfirinóides (do tipo clorinas) planejados para atividades e ações específicas em determinados tipos de microrganismos e tecidos. Todos os trabalhos desta parte estão baseados em modificações semi-sintéticas da clorofila a. Esta parte do trabalho é motivada pelos bons resultados com derivados de clorofila a na literatura e, acima de tudo, pela grande abundância deste pigmento natural e pelas propriedades do mesmo, já bem exploradas. A segunda abordagem de síntese de novas moléculas se baseia na preparação do pigmento natural Curcumina (escala multi-grama) e de alguns derivados. Estas moléculas com grande disponibilidade têm permitido já vários estudos na área de PDT oral, em fungos e de combate a microrganismos em geral. Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Fotobiomodulação O uso da luz como agente terapêutico deve-se ao fato de que em condições especiais, a luz é capaz de modular respostas metabólicas nas células e tecidos, estimulando ou inibindo processos. As principais pesquisas desenvolvidas são: Estudos clínicos sobre o efeito sinérgico da laserterapia e do ultrassom para o tratamento da artrite e da artrose Estudos clínicos sobre o efeito combinado da laserterapia e do exercício físico na obesidade Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Controle Microbiológico Nosso grupo tem se destacado em diversos protocolos clínicos para o controle microbiológico utilizando a Terapia Fotodinâmica (TFD) como uma alternativa aos tratamentos convencionais. Estudos in vitro e in vivo comparam diferentes fotossensibilizadores (FS) e parâmetros e iluminação e dispositivos, bem como a compreensão dos mecanismos envolvidos na inativação de bactérias e fungos. Os projetos principais são: Inativação Fotodinâmica (IFD) em biofilmes bacterianos e modelos experimentais com fungos, larvas, protozoários e sangue contaminado por bactérias. Modelos animais de descontaminação de feridas e no tratamento de pneumonia. Desenvolvimento de novos fotosensibilizadores e formulações farmacêuticas nanoestruturadas específicas. Protocolos clínicos de IFD no tratamento de condiloma por HPV, onicomicose, infecções do trato respiratório superior, diminuição da contaminção da cavidade oral e descontaminação de úlceras de pressão. Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Terapia Fotodinâmica A Terapia Fotodinâmica (TFD) baseia-se no uso de uma substância fotossensível (fotossensibilizador) que quando está nas células, ao receber luz em comprimento de onda adequado, é ativada e desencadeia uma série de reações com o oxigênio molecular presente, podendo gerar espécies citotóxicas, resultando na morte celular. Deste modo, a presença simultânea de luz, fotossensibilizador e oxigênio é fundamental para a TFD. A TFD é uma técnica não-invasiva, ou minimamente invasiva que pode ser usada para o tratamento de câncer, lesões pré-malignas, lesões infectadas por microorganismos, ou mesmo para fins cosméticos. Os principais projetos desenvolvidos nesta área são: Estudos laboratoriais para aperfeiçoamento da dosimetria de luz para a Terapia Fotodinâmica Estudosin vivo para aperfeiçoamento de entrega de fármacos para TFD Estudosin vitro para aperfeiçoar o entendimento da resposta celular mediante a TFD Estudos clínicos para o tratamento do câncer de pele, da neoplasia intraepitelial cervical e da queratose actínica. Monitoramento da resposta da TFD via termografia, imagens de fluorescência e espectroscopias. Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Diagnóstico Óptico A luz interage com tecidos biológicos de formas distintas dependendo das características do tecido e de parâmetros de iluminação. Uma das respostas do tecido após esta interacção é a emissão de luz, que contém informações da sua composição bioquímica e estrutural. Técnicas ópticas são ferramentas atrativas que permitem analises não invasivas para a discriminação de tecidos e resposta a tratamentos. Os principais estudos nessa aérea são: • Os estudos clínicos usando espectroscopia de fluorescência resolvida no tempo e no estado estacionário para a detecção de câncer bucal, lesões de pele e condição enxerto de fígado para transplante. • Imagens de campo amplo para detecção de lesões e resposta durante Terapia Fotodinâmica. • Imagens de fluorescência em aplicações odontologicas. • Microscopia óptica confocal e não-linear. • Espectroscopia e imagens de fluorescência resolvida no tempo. • Dispositivos de baixo custo para diagnóstico point-of-care. • Imagens térmicas. Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Terapia Sonofotodinâmica A terapia fotodinâmica é uma técnica que vem sendo adotada em diversos países e se tornou realidade no Brasil no tratamento do câncer de pele não melanoma. Esse desenvolvimento vem sendo possível graças ao trabalho científico realizado por diversos pesquisadores brasileiros, dentre os quais os integrantes do Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica financiado pela Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (CePOF/FAPESP). Essa terapia envolve três componentes principais: uma molécula ativada por luz, que recebe o nome de fotossensibilizador, uma fonte de luz visível, e oxigênio molecular que, juntos, causam a morte de células cancerígenas. Esta técnica, contudo, apresenta uma limitação que é a baixa penetração da luz em tumores de pele mais espessos. Entre as formas de entrega de energia nos tecidos vivos, o ultrassom terapêutico tem se mostrado uma fonte de excitação mecânica de moléculas que permite a ativação de medicações sonossensibilizadoras (que tornam o tecido sensível a ultrassom) em maior profundidade, devido à sua boa penetração no tecido biológico e capacidade de sonoporação da membrana celular (ou seja, abrir pequenos “buracos” na membrana). Por isso, diferente do ultrassom diagnóstico (que não faz mal aos tecidos), o ultrassom terapêutico combinado a essas medicações gera morte celular de acordo com sua frequência e intensidade. A técnica que usa ultrassom para ativar moléculas é conhecida como terapia sonodinâmica, e a combinação dela com a terapia fotodinâmica é conhecida como terapia sonofotodinâmica. O uso combinado de ultrassom e luz, sem um agente externo sensibilizador já tem se mostrado muito eficiente no alívio de sintomas de fibromialgia e doença de Parkinson, e espera-se que com essas medicações associadas possa trazer outros benefícios no tratamento de doenças. A luz e o ultrassom são dois tipos de onda, sendo a luz chamada de onda eletromagnética, enquanto o ultrassom é chamado uma onda mecânica. O ultrassom tem esse nome porque é um tipo de onda sonora, mas que o ser humano não consegue ouvir. A energia que as duas carregam se propaga de formas diferentes, e tem efeito diferenciados nos tecidos vivos. Por conta disso, os efeitos de uma e outra energia são associados de forma a aumentar o alcance de tratamento em termos de profundidade. O uso combinado de luz e ultrassom vai tratar de forma mais eficiente lesões mais espessas de pele, por exemplo. Assim, estamos entendo os mecanismos básicos da ação conjunta da luz e ultrassom através de diversos experimentos, inclusive com testes em animais. Técnicas como a Terapia Sonofotodinâmica podem vir a contribuir de maneira relevante para o aperfeiçoamento dos tratamentos destes tipos de tumor. Esta técnica mista combina duas modalidades de terapia com mínimos efeitos colaterais, diferente de abordagens como a radioterapia ou a quimioterapia – que em alguns casos poderiam ser evitadas. O sucesso desta e de outras pesquisas nessa área podem trazer benefícios reais para os pacientes. Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Desinfecção por Ultravioleta A radiação eletromagnética apresenta um caráter dual, e em alguns fenômenos sua natureza se revela como uma partícula e em outros como uma onda. O fóton é o nome da partícula da radiação eletromagnética, e pode ser entendido como um pequeno pacote de energia que possui tanto propriedades de partícula quanto de onda. Todas as ondas possuem um comprimento de onda, que é a distância para um ciclo completo de vibração; e uma frequência, que representa o número de oscilações por intervalo de tempo. O espectro de radiação eletromagnética estende-se, em ordem crescente de energia, das ondas de rádio com longos comprimentos de onda até as radiações de altíssima energia (raios-X e raios gama) com comprimentos de onda muito curtos. A parte visível é uma região com energia intermediária, entre o infravermelho e o ultravioleta. “Ultravioleta” significa “além do violeta” (do latim ultra, “além”), violeta sendo a cor das frequências mais altas da luz visível. O ultravioleta tem uma frequência mais alta (e, portanto, um comprimento de onda mais curto) do que a luz violeta. A radiação ultravioleta é a fração do espectro eletromagnético que abrange os comprimentos de onda abaixo da luz visível, variando de 200 a 400 nm. Essa fração é ainda subdividida em três tipos: UV-A com comprimentos de onda variando de 320 a 400 nm; UV-B com comprimentos de onda variando de 280 a 320 nm; e UV-C com comprimentos de onda variando de 200 a 280 nm. A radiação UV foi descoberta em 1801, quando o físico alemão Johann Wilhelm Ritter observou que os raios invisíveis logo após a extremidade violeta do espectro visível escureciam o papel embebido em cloreto de prata mais rapidamente do que a própria luz violeta. Ele os chamou de “raios (des) oxidantes” (em alemão: de-oxidierende Strahlen) para enfatizar a reatividade química e para diferenciá-los dos “raios de calor”, descobertos no ano anterior no outro extremo do espectro visível. O termo mais simples “raios químicos” foi adotado logo depois e permaneceu popular por todo o século 19, embora alguns tenham dito que essa radiação era totalmente diferente da luz (notavelmente John William Draper, que os nomeou “raios tônicos”). Os termos “raios químicos” e “raios de calor” acabaram sendo descartados em favor da radiação ultravioleta e radiação infravermelha, respectivamente. A descoberta da radiação ultravioleta com comprimentos de onda abaixo de 200 nm, denominada “ultravioleta a vácuo” por ser fortemente absorvida pelo oxigênio do ar, ocorreu em 1893 pelo físico alemão Victor Schumann. A história do estudo da UV-C como uma maneira de matar bactérias e outros organismos data de 1845, quando se tornou conhecido que os microrganismos respondem à luz. Em 1877, Downes e Blunt observaram que a exposição dos tubos de ensaio contendo a solução de Pasteur à luz solar impediu o crescimento de microrganismos no interior do tubo e, com o aumento da duração da exposição, os tubos de ensaio permaneceram livres de bactérias por vários meses. A luz UV-C na forma de lâmpadas germicidas tem sido usada desde o final do século 19 para matar os tipos de microrganismos que normalmente causam problemas na qualidade do ar interno – bactérias, fungos e vírus. Niels Ryberg Finsen (1860-1904) foi o primeiro a empregar raios UV no tratamento de doenças. Foi agraciado com o Prêmio Nobel de Medicina em 1903. Ele inventou a lâmpada curativa Finsen, usada com sucesso na década de 1950. Em 1908, o UV-C foi usado para desinfetar o abastecimento de água municipal de Marselha (França), e durante os anos 30 a Westinghouse desenvolveu as primeiras lâmpadas germicidas comerciais UV-C. Elas foram usadas principalmente em hospitais. Após a Segunda Guerra Mundial, o UV-C foi usado para esterilizar o ar em hospitais, cozinhas, instalações de processamento e armazenamento de carne, padarias, cervejarias, laticínios, produção de bebidas, plantas farmacêuticas e laboratórios de animais, ou seja, tem sido usado em qualquer lugar onde a contaminação microbiológica pode ser uma preocupação. Durante a década de 1950, o UV-C foi incorporado ao equipamento de tratamento de ar. E, tornou-se um componente importante no controle e erradicação da tuberculose. Os recentes avanços tecnológicos tornaram possível a implantação de diversas tecnologias de desinfecção com UV-C em um campo cada vez maior de aplicações. O CePOF  trabalha há mais de 10 anos em processos de descontaminação de superfícies, materiais, alimentos e órgãos para transplantes usando a radiação UV-C. Por possuir alta efetividade, a radiação UV-C tem sido amplamente utilizada na desinfecção de superfícies. Em 2017 publicamos um estudo na revista Photomedicine and Laser Surgery, que avaliou a efetividade do UV-C na redução de diferentes tipos de bactérias causadoras de doenças infecciosas. Diversas superfícies em ambiente hospitalar foram descontaminadas com o UV-C, e os resultados mostraram elevadas taxas de inativação microbiana após a aplicação da luz. Assim, podemos dizer que essa tecnologia pode ajudar a reduzir a disseminação dos microrganismos, controlando a incidência de infecções nos ambientes hospitalares. Em humanos, a exposição direta à radiação UV pode resultar em efeitos nocivos agudos e crônicos na pele e na retina do olho. Os fótons ultravioletas prejudicam as moléculas de DNA dos organismos vivos de diferentes maneiras. Assim, é importante operar com extremo cuidado os equipamentos que possuem radiação UV. Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.